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复杂微纳米表面与多体粒子的复合光散射特性研究

2020-12-02阅读(389)

复杂微纳米表面与多体粒子的复合光散射特性研究

论文摘要

复杂微纳米结构的光学特性研究在超材料设计和制备、空间光场调控等领域具有广泛的应用前景,也是当前研究热点课题之一。各类微纳米表面结构或膜系结构制备中表面微粗糙度或缺陷的存在对其光学特性会产生明显的影响,研究具有微缺陷的微纳米结构复合光散射特征,对微纳米膜系结构的设计、无损检测、光学操控和超材料研究的发展与应用具有重要的研究意义。本文主要研究了不同微纳米结构介质表面光场特性以及与单、双或者周期排布粒子,以及微纳表面镶嵌或者掩埋多层粒子的复合/差值场光散射特性,并且对金属纳米结构表面等离激元效应、含缺陷微纳表面光场调控以及多层膜系微纳结构表面光学微操控进行了研究。论文的主要研究成果与创新之处:1.基于时域有限差分基本原理,并运用蒙特卡洛方法建立了二维半空间微粗糙光学表面与目标复合散射模型。系统地研究了微粗糙光学表面与多体目标的复合/差值场散射特性,对多个缺陷粒子以及多层微粒的定位与形态特征进行了分析,并且讨论了微纳米结构表面光学特性的影响因素。2.针对掩埋于三维光学表面的周期排布粒子的检测问题,研究了含微粗糙度光学表面掩埋周期排布缺陷粒子的光散射特性,运用差值场与互易性定理相结合理论,建立了周期缺陷粒子的双站差值雷达散射强度模型,对比分析了周期缺陷粒子的差值场散射频域变化。重点研究了周期缺陷粒子在总散射场中的散射贡献,分析不同因素对散射特性的影响规律。3.基于金属微纳结构中光散射产生的等离激元特性,本文将Drude模型与高斯波束结合,建立微纳尺度下特殊结构微纳表面等离激元激发与分布特征的计算模型。数值分析了不同微纳结构下等离激元色散关系与激发条件,通过微纳结构的改变对超材料表面的光场进行了有效地调控,系统研究了形态缺陷、粗糙度等不同因素对单层/多层周期结构薄膜表面的光场特性的影响。4.基于光学微操控的理论与应用,推导了三维全空间离散Maxwell应力张量方程,建立任意微纳结构光学操控力计算与特性分析的计算模型。结合微纳尺寸下金属特殊结构的等离激元特性,研究了表面等离激元对近表面粒子的操控特性,理论上实现了通过不同结构设计的微纳表面对微粒进行特殊运动、转移、定位与束缚。并最终讨论了不同参数因素对光学微操控的影响,通过微观机理对宏观现象进行了解释。5.基于表面等离激元的光学微操控理论,研究了多层周期结构薄膜对于近表面粒子的操控特性,建立了含缺陷三维微纳米结构光学操控计算模型,数值分析了粗糙度对多层膜系超材料表面等离激元光学微操控特性的影响,通过详细的分析与讨论,理论上验证了通过结构参数的改变消除缺陷对表面等离激元操控近场粒子的负面效应,为实际应用过程中微纳米粒子操控提供了新的思路与方法。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号对照表
  • 缩略语对照表
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景和意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 光学薄膜缺陷检测与处理方法研究进展
  •     1.2.2 微纳米超材料与粗糙面相关研究方法进展
  •     1.2.3 表面等离激元及其微纳米操纵研究进展
  •   1.3 论文主要内容及框架
  •   1.4 本论文的特色及创新之处
  • 第二章 复杂微表面结构与粒子体系计算模型研究
  •   2.1 引言
  •   2.2 空间中FDTD基本迭代公式
  •   2.3 二维随机粗糙面与缺陷目标复合散射模型
  •     2.3.1 二维随机粗糙面模型建立
  •     2.3.2 二维粗糙面与目标复合FDTD模型
  •     2.3.3 时谐场源设置
  •     2.3.4 二维总场边界（连接边界）条件
  •     2.3.5 二维吸收边界条件-Berenger完全匹配层
  •     2.3.6 二维外推边界条件
  •   2.4 三维随机粗糙面与缺陷目标复合散射模型
  •     2.4.1 三维随机粗糙面模型建立
  •     2.4.2 三维随机粗糙面与目标复合模型
  •     2.4.3 三维维总场边界（连接边界）条件
  •     2.4.4 三维吸收边界条件-Berenger完全匹配层
  •     2.4.5 三维外推边界条件
  •   2.5 色散介质FDTD迭代式
  •     2.5.1 色散介质基本模型
  •     2.5.2 Drude模型
  •     2.5.3 色散介质RC-FDTD
  •     2.5.4 Drude介质和等离子体RC-FDTD
  •   2.6 本章小结
  • 第三章 二维微粗糙光学表面与缺陷目标复合/差值散射研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 二维FDTD差值场理论研究
  •   3.3 微粗糙光学表面与多个镶嵌粒子复合/差值散射场特性
  •     3.3.1 含镶嵌粒子计算模型建立
  •     3.3.2 数值计算结果与结论
  •   3.4 微粗糙光学表面与掩埋多层粒子复合/差值散射场特性
  •     3.4.1 含掩埋多层粒子计算模型建立
  •     3.4.2 数值计算结果与结论
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 三维周期结构粒子复合/差值散射场特性分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 三维FDTD差值场理论研究
  •   4.3 微粗糙光学表面与周期排布粒子的复合/差值场散射
  •     4.3.1 含周期排布粒子三维计算模型建立
  •     4.3.2 数值计算结果与结论
  •   4.4 脉冲波源激励下的FDTD瞬态散射研究
  •     4.4.1 脉冲波源
  •     4.4.2 三维瞬态场的外推
  •     4.4.3 瞬态场外推的投盒子方法
  •   4.5 脉冲波激励下的数值计算结果与分析
  •     4.5.1 脉冲波源与时谐场源激励下复合散射结果对比
  •     4.5.2 周期结构排布粒子掩埋于微粗糙表面下的复合散射频谱特性
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 复杂结构介质表面等离激元特性研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 表面等离激元基本特性
  •     5.2.1 表面等离激元在介质中的波解
  •     5.2.2 表面等离激元色散关系
  •     5.2.3 表面等离子体波的激发模式
  •     5.2.4 表面等离子体波的特征长度
  •   5.3 高斯波束入射下三维FDTD计算模型的建立
  •     5.3.1 高斯波束在FDTD中的描述
  •     5.3.2 全空间色散介质FDTD计算模型
  •   5.4 不含缺陷复杂结构等离激元特性研究
  •     5.4.1 单层周期结构薄膜表面光场特性分析
  •     5.4.2 多层周期结构薄膜表面光场特性分析
  •   5.5 含缺陷复杂结构等离激元特性研究
  •     5.5.1 含缺陷单层周期结构薄膜表面光场特性分析
  •     5.5.2 含缺陷多层周期结构薄膜表面光场特性分析
  •   5.6 本章小结
  • 第六章 复杂周期结构表面光场对近表面粒子的操控研究
  •   6.1 引言
  •   6.2 近场光学操控力的理论概述
  •     6.2.1 近场光学操作的基本理论
  •     6.2.2 近场光场的计算方法
  •   6.3 基于FDTD算法的光力理论研究
  •   6.4 单层周期结构薄膜对近表面粒子的操控研究
  •     6.4.1 近场光力FDTD计算模型的建立
  •     6.4.2 数值计算结果与讨论
  •   6.5 本章小结
  • 第七章 含缺陷多层周期结构薄膜光场对表面微粒的操控研究
  •   7.1 引言
  •   7.2 多层周期结构薄膜表面近场光力FDTD计算模型的建立
  •     7.2.1 多层周期结构薄膜与近表面粒子复合结构建立
  •     7.2.2 多层膜系结构近场光力计算模型的建立
  •   7.3 多层周期结构薄膜对近表面粒子的操控研究
  •   7.4 含粗糙度多层周期结构薄膜对近表面粒子的操控研究
  •     7.4.1 含粗糙度近场光力FDTD计算模型的建立
  •     7.4.2 数值计算结果讨论
  •   7.5 本章小结
  • 第八章 总结与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简介

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 葛城显

    导师: 吴振森

    关键词: 光学微操控,光场调控,粗糙面散射,等离激元,多层膜系

    来源: 西安电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 物理学,材料科学

    单位: 西安电子科技大学

    基金: 国家自然科学基金项目《光学介质薄膜与多体缺陷的复合光散射特性研究及特征分析》

    分类号: TB383.1;O436.2

    DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003129

    总页数: 183

    文件大小: 13569K

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